汽車尾氣排放檢測與催化轉化教學實驗建設

段鳳魁，郝吉明，王書肖，段 雷，張 磊，王 龍

（清華大學 環境學院，北京 100084）

機動車尾氣排放是我國大氣復合污染的重要來源之一，其成分復雜，既包括 NOx、CO、VOCs、CO2、SO2等氣態污染物，又包括PM2.5，甚至納米粒子在內的顆粒態污染物［1－2］。其中，NOx是 PM2.5的主要前體物之一，其在氣候變化、酸雨的形成、霧霾的形成中都扮演著至關重要的角色。隨著我國機動車保有量的迅速增加，NOx在富氧條件下的排放控制也變得越來越緊迫［3］。

“大氣污染控制工程”是高校環境專業核心課程之一，通過該課程極大推動了我國高校環境專業實驗與實踐課程體系的建設，以及大氣污染控制工程專業人才的培養［4－5］。然而，很多高校在大氣實驗課程建設方面存在嚴重不足［6－8］。我校大氣污染控制工程課程起初是本科生限選課，于1999年被評為國家級精品課程。為了適應學科發展，于2010年改為本科生必修課。大氣實驗是“大氣污染控制工程”的配套實驗課程。然而，與理論課程的建設相比，實驗課程的建設遠遠不足。多年來由于受場地及經費所限，大氣污染控制工程實驗課程僅開設了旋風—布袋除塵實驗及脫硫實驗。實驗內容單一，且設備老化嚴重，實驗效果不好。曾經借助環境學院有關課題組的科研平臺，斷續開展了幾次汽車尾氣中CH4的凈化實驗，但由于時間沖突且設備無法為教學專用，實驗效果不理想。因此，在本科實驗教學中開設機動車污染排放與控制相關的實驗內容，對于培養拔尖創新型和復合型人才，具有非常重要的意義。

1 實驗設計與技術原理

1.1 設計思路

針對上述大氣污染現狀及我校實驗教學現狀，為了完善環境學院實驗課程體系，使大氣實驗課程更好地與大氣理論課程內容相銜接，并體現大氣科學發展前沿，我們提出基于“大氣污染控制工程”理論課程中的相關教學內容，設計研制了“汽車尾氣排放檢測與催化轉化綜合教學實驗系統”，并以此開設新實驗項目。通過該系統，可望能夠顯著提高學生的科研興趣和科研能力，更好地適應建設世界一流的環境科學與工程學科人才培養的需要。

1.2 技術原理

“汽車尾氣排放檢測與催化轉化綜合教學實驗系統”由5部分組成：尾氣排放檢測系統、催化劑制備系統、溫度控制及反應系統、氣體流量配氣系統、反應測量系統（見圖1）。尾氣排放檢測是機動車排放控制中非常重要的一環［9－10］。機動車在怠速工況下，發動機氣缸內通常處于不完全燃燒狀況，此時尾氣中CO和HC的排放相對較高，但NOx排放則很低。由于怠速工況時機動車沒有行駛負載，無需底盤測功機就可進行尾氣排放檢測，故雖然怠速法不能全部反映實際運行工況下的機動車排放，但仍是目前各國普遍采用的在用車排放檢測方法之一。本系統采用尾氣五氣分析儀測定家用汽油車怠速（轉速為0）與高怠速（例如0.5額定轉速）等不同工況下HC、NO、CO、CO2和O25種氣體的濃度，比較不同工況下的尾氣排放特征，并分析原因。根據上述不同工況下氣體濃度變化情況，尤其是關鍵尾氣成分的濃度水平，確定下一步催化轉化模擬實驗中配氣氣體的種類及各種氣體的配氣比例。

圖1 汽車尾氣排放檢測與催化轉化綜合教學實驗系統構成示意圖

針對檢測到的尾氣中關鍵成分NO，采用選擇性催化還原法（selective catalytic reduction，SCR）這一國際上先進的煙氣脫硝技術進行實驗［11－13］。該方法主要采用氨（NH3）作為還原劑，將NO選擇性地還原成N2。NH3具有較高的選擇性，在一定溫度范圍內，它主要與NO發生作用，而不被煙氣中的氧所氧化；同時少量的NO2也被還原成N2。該方法比無選擇性的還原劑脫硝效果好。NH3－SCR的工作原理如下：

本實驗中的溫控系統、配氣系統及反應系統均通過自主設計，并委托有資質的公司進行生產加工（見圖2）。根據上述反應原理，通過比較選擇平衡氣，最終確定配氣組成為 NO、O2、NH3、N2，其中 N2為平衡氣體。實驗氣體經反應爐催化還原之后，剩余的NO可用高精度煙氣分析儀進行檢測，最終計算催化轉化效率并探討影響因素。

圖2 實驗系統中的溫控、配氣系統及反應爐實物圖

2 實驗過程及結果

自2010年，本科生應用該系統進行了機動車尾氣排放檢測及氮氧化物催化轉化效率測試。除規定的實驗內容外，學生還可自行設計實驗進行驗證。例如，機動車排放測試主要是使學生探討怠速、高怠速（0.5額定轉速）2種工況下尾氣成分排放特征。測試結果表明，怠速及高怠速下尾氣主要成分為NO、CO、CO2、O2、HC化合物。怠速下尾氣中CO和HC的排放相對較高，但NO排放則較低；高怠速下燃燒溫度較高，CO含量相對較低，而NO含量較高。可見NO是機動車尾氣的重要成分。

此外，例如NO催化轉化測試部分，配氣量分別為 NO 30ml／min，NH330ml／min，O220ml／min，N2420ml／min，維持總氣量為500ml／min。按照預設程序，將催化劑從常溫按照5oC／min的溫度梯度升溫至200oC，在200oC穩定10min后，將通氣閥從“旁通”轉換通向催化劑，從200oC開始測量NO濃度至450oC為止，升溫梯度為8.3oC／min，每隔2min在濃度分析儀上讀取一次數據，測量30min，并記錄催化劑溫度和處理后氣體NO濃度。催化曲線如圖3所示。可見，在343oC時NO催化凈化效率最高，可達92%。

圖3 NO轉化率與溫度的關系曲線

3 結束語

本綜合實驗系統針對機動車污染這一典型大氣污染源，采用當前國際上主流的SCR煙氣脫硝技術，結合我國當前大氣污染現狀以及環境學院近年來在大氣污染控制方面的研究成果，覆蓋了從污染源排放到控制在內的核心知識點與技術點，是將科研轉化為實驗教學的典型案例。主要特色及創新性如下：

（1）本成果以研究型實驗為出發點，以流動源污染控制研究項目中的有關研究內容及過程為基礎，通過高度提煉與總結，設計成涵蓋排放檢測、催化劑制備、大氣污染物控制關鍵技術在內的、可為本科生進行實際操作的實驗系統與實驗項目，在設計思路上有創新。

（2）尾氣排放的測定采用真實機動車進行，且由學生來操控機動車的不同轉速。在完成規定實驗內容后，學生還可進一步設計不同工況進行驗證。教學實踐證明，該成果使實驗教學變得不再枯燥，引起了本科生濃厚的實驗與科研興趣，提高了本科生自主學習的興趣和科研能力。與傳統實驗教學相比，在教學設備與教學方法上有一定特色。

（3）本實驗中的溫控系統、配氣系統及反應系統均通過自主設計，并委托有資質的公司進行生產加工。學生可自行組成研究小組，自行設計實驗，分別考察升溫程序（升溫時間、升溫速度）、配氣比例、催化劑種類等關鍵參數對催化轉化效率的影響，并探討原因，進一步改進實驗，充分激發了學生的參與意識，鍛煉了學生的動腦、動手能力，在實驗設備、內容及實驗方法上具有明顯的研究特色。

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